Development of a Fully Rotatable End-Effector with Integrated Fiber-Optic Encoder for an X- ray-Compatible Cable-Driven Parallel Robot : : application to Interventional Needle Insertion = X선 호환 케이블 구동 병렬 로봇용 광섬유 엔코더 통합 회전형 엔드 이펙터 개발 : 중재적 바늘 삽입 시술의 적용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cable-driven parallel robots (CDPRs) are a class of parallel robots that employ multiple cables instead of rigid links to manipulate the end-effector. This architecture offers advantages in X-ray imaging environments, as metallic components can be positioned outside the radiation field, thereby reducing artifacts in X-ray images. However, enabling rotational motion of the end- effector in an X-ray-compatible manner remains a technical challenge. This thesis presents the design, implementation, and experimental analysis of a CDPR equipped with a fully rotatable end-effector and an integrated fiber- optic encoder, specifically designed for X-ray-guided interventions. The proposed system employs remote actuation to drive end-effector rotation and incorporates a custom-designed fiber-optic encoder to provide rotational feedback without metallic interference. The fiber-optic encoder was implemented in a stationary-slit quadrature configuration, where laser light is delivered and collected through optical fibers. The encoder provides 0.5° resolution and demonstrates reliable sensing up to 100°/s, although periodic signal loss produced an accumulated drift of approximately 20° per revolution. Compared with a commercial absolute encoder, the developed encoder achieved an average precision of 0.1353° ± 0.1747° within a stable operating range. The Bowden cable–based rotation mechanism exhibited a rise time of 0.301 s, a settling time of 0.480 s, and an average delay of 0.118 s, with an overshoot of 0.35° in step-response tests. In closed-loop operation using a PI controller, the mean tracking error outside the dead zone was 2.424° ± 2.243°. Moreover, the added rotational mechanism affected the CDPR’s tracking performance by only ~1.4%, confirming that the rotation mechanism does not meaningfully degrade overall CDPR tracking. X-ray transparency tests further showed that the proposed system minimized imaging artifacts. The system confirmed its ability to deliver rotational motion while maintaining X-ray compatibility.

국문 초록 (Abstract)

케이블 구동 병렬 로봇(CDPR)은 엔드 이펙터를 구동하기 위해 강체 대신 여러 개의 케이블을 활용하는 병렬 로봇으로, 금속 부품을 방사선 영역 밖에 배치할 수 있어 X선 영상 환경에서 의료 이미지의 왜곡을 최소화할 수 있는 장점을 가진다. 본 연구에서는 중재적 바늘 삽입 시 X선 유도 환경에서 사용할 수 있도록, 완전 회전형 엔드 이펙터와 광섬유 엔코더를 통합한 CDPR을 설계·구현하고 실험적으로 검증하였다. 제안된 시스템은 원격 구동을 통해 엔드 이펙터 회전을 수행하며, 의료 영상에 간섭 없이 정확한 회전 피드백을 제공하는 맞춤형 광섬유 엔코더를 사용하였다.
제안 시스템은 회전 자유도를 엔드 이펙터에 추가하되, 구동 모터와 주요 기계 요소를 방사선 영역 밖에 배치하고 회전 토크를 원격 전달하는 구조로 X선 호환성을 확보하였다. 또한 회전 구동부 추가로 인한 CDPR의 병진 제어 성능 저하를 방지하기 위해 기구학적 영향과 제어 상호 간섭을 함께 고려하여 설계 및 성능 평가를 수행하였다.
광섬유 엔코더는 레이저 광을 광섬유로 전달·수광하는 방식으로 구현되었으며, 정지 슬릿(stationary-slit) 기반 쿼드러처(quadrature) 구성으로 회전각을 측정하였다. 엔코더는 0.5° 분해능을 제공하고 100°/s까지 안정적으로 센싱이 가능함을 확인하였다. 다만 주기적인 신호 손실로 인해 1회전당 약 20° 수준의 누적 드리프트가 발생하였으며, 상용 절대형 엔코더와의 비교에서 안정 동작 구간 내 평균 정밀도는 0.1353° ± 0.1747°로 평가되었다.
엔드 이펙터 회전 구동은 Bowden 케이블 기반 메커니즘으로 구성하였고, 계단응답 실험에서 상승시간 0.301 s, 정착시간 0.480 s, 평균 지연 0.118 s 및 오버슈트 0.35°를 보였다. PI 제어기를 적용한 폐루프 회전 제어에서 데드존을 제외한 평균 추종 오차는 2.424° ± 2.243°로 측정되었다. 회전 구동부의 추가가 CDPR의 병진 추종 성능에 미치는 영향을 평가한 결과, 성능 변화는 약 1.4% 수준으로 나타나 제안된 회전 메커니즘이 전체 CDPR 제어 성능을 유의미하게 저하시키지 않음을 확인하였다.
마지막으로 X선 투과성 평가를 통해 제안 시스템이 영상 아티팩트를 최소화함을 검증하였고, 기구학 분석과 프로토타입 실험 결과를 종합하여 X선 호환성을 유지하면서 신뢰성 있는 회전 운동을 제공할 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 X선 유도 중재 시술을 위한 CDPR 기반 로봇에서 회전 자유도 구현과 금속 비간섭 회전 센싱을 동시에 달성하기 위한 설계 및 실험적 근거를 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRODUCTION 1
• A. Background 1
• B. Motivation 4
• C. Research Goal 6
• 2. SYSTEM OVERVIEW 7
• 3. ROTATIONAL END-EFFECTOR DEVELOPMENT 9
• A. Remote Actuation System 9
• B. Initial Hydraulic Approach 11
• 1) System configuration 11
• 2) Analysis and performance 12
• 3) Limitation and motivation for redesign 16
• C. Cable-based Redesign 17
• 1) Related work 17
• 2) Mechanism design and implementation 19
• 3) Structural refinement and material selection 21
• 4. FIBER-OPTIC ENCODER DESIGN 25
• A. Configuration of Proposed Encoder 25
• B. X-ray Compatible Sensing Methods 26
• C. Operating principle 29
• 5. EXPERIMENTAL ANALYSIS 33
• A. Experimental Setup 33
• B. Fiber-optic Encoder Performance 34
• 1) Precision 34
• 2) Sensing speed 36
• C. Actuation System Characterization 37
• 1) Step response 37
• 2) Nonlinear characteristics: Dead zone & Hysteresis 38
• 3) Frequency domain analysis 39
• D. Actuation System Performance 41
• 1) Closed-loop tracking 41
• 2) Influence on CDPR tracking 42
• E. X-ray Transparency Validation 44
• 6. CONCLUSION 47
• References 49
• 국문초록 56